Что, если запутанность также происходит во времени? Существует ли такая вещь, как временная нелокальность?
Летом 1935 года физики Альберт Эйнштейн и Эрвин Шредингер вели богатую, многогранную и иногда раздражительную переписку о последствиях новой теории квантовой механики. В центре их беспокойства было то, что Шредингер позже назвал запутанностью: неспособность описать две квантовые системы или частицы независимо друг от друга после того, как они взаимодействовали.
До самой смерти Эйнштейн оставался убежденным, что запутанность показывает, насколько неполна квантовая механика. Шредингер считал запутанность определяющей чертой новой физики, но это не означало, что он воспринимал ее легкомысленно.«Конечно, я знаю, как математически работает фокус-покус, - писал он Эйнштейну 13 июля 1935 г. - Но мне не нравится такая теория». побочный результат борьбы за то, чтобы сформулировать то, что беспокоило пару.
Схема мысленного эксперимента Шредингера с котом. Примерно основано на Schroedingerscat3-j.webp
Проблема в том, что запутанность нарушает то, как должен работать мир. Информация не может двигаться быстрее скорости света, например. Но в статье 1935 года Эйнштейн и его соавторы показали, как запутанность приводит к тому, что сейчас называется квантовой нелокальностью, жуткой связи, которая, по-видимому, существует между запутанными частицами. Если две квантовые системы встречаются, а затем расходятся даже на расстоянии в тысячи световых лет, становится невозможным измерить характеристики одной системы (такие, как ее положение, импульс и полярность) без мгновенного перевода другой системы в соответствующее состояние.
До сегодняшнего дня в большинстве экспериментов проверялась запутанность над пространственными промежутками. Предполагается, что «нелокальная» часть квантовой нелокальности относится к запутанности свойств в пространстве. Но что, если запутанность также происходит во времени? Существует ли такая вещь, как временная нелокальность?
Ответ, как оказалось, положительный. Как раз тогда, когда вы думали, что квантовая механика не может быть еще более странной, группа физиков из Еврейского университета в Иерусалиме сообщила в 2013 году, что они успешно запутали фотоны, которые никогда не сосуществовали. Предыдущие эксперименты с использованием техники, называемой «обмен запутанностью», уже показали квантовые корреляции во времени, задержав измерение одной из сосуществующих запутанных частиц; но Эли Мегидиш и его сотрудники были первыми, кто продемонстрировал запутанность между фотонами, продолжительность жизни которых вообще не пересекалась.
Вот как они это сделали. Сначала они создали запутанную пару фотонов «1-2» (этап I на диаграмме ниже). Вскоре после этого они измерили поляризацию фотона 1 (свойство, описывающее направление колебаний света) - тем самым «убив» его (шаг II). Фотон 2 был отправлен в погоню за дикими гусями, в то время как была создана новая запутанная пара «3-4» (шаг III). Затем фотон 3 был измерен вместе с блуждающим фотоном 2 таким образом, что отношение запутанности было «переставлено» со старых пар («1-2» и «3-4») на новую комбинацию «2-3» (шаг IV). Некоторое время спустя (шаг V) измеряется поляризация единственного выжившего фотона 4, и результаты сравниваются с результатами давно умершего фотона 1 (на шаге II).
Рисунок 1. Временная диаграмма: (I) Рождение фотонов 1 и 2, (II) обнаружение фотона 1, (III) рождение фотонов 3 и 4, (IV) Колокольная проекция фотонов 2 и 3, (V) обнаружение фотона 4.
Результат? Данные показали наличие квантовых корреляций между «временно нелокальными» фотонами 1 и 4. То есть запутывание может происходить между двумя квантовыми системами, которые никогда не сосуществовали.
Что же это может значить? На первый взгляд, это кажется таким же тревожным, как и утверждение о том, что полярность звездного света в далеком прошлом - скажем, более чем в два раза больше времени жизни Земли - тем не менее повлияла на полярность звездного света, попадающего в ваш любительский телескоп этой зимой. Еще более странно: возможно, это означает, что измерения, проведенные вашим глазом при свете звезд, падающем через ваш телескоп этой зимой, каким-то образом определили полярность фотонов возрастом более 9 миллиардов лет.
Чтобы этот сценарий не показался вам слишком диковинным, Мегидиш и его коллеги не могут устоять перед предположениями о возможных и довольно жутких интерпретациях их результатов. Возможно, измерение поляризации фотона 1 на шаге II каким-то образом управляет будущей поляризацией 4, или измерение поляризации фотона 4 на шаге V каким-то образом переписывает прошлое состояние поляризации фотона 1. Как в прямом, так и в обратном направлении квантовые корреляции охватывают причинно-следственную связь. пустота между смертью одного фотона и рождением другого.
Однако всего лишь ложка относительности помогает уменьшить жуткость. Разрабатывая свою специальную теорию относительности, Эйнштейн сверг понятие одновременности с его ньютоновского пьедестала. В результате одновременность из абсолютного свойства превратилась в относительное. Для Вселенной нет единого хронометриста; когда именно что-то происходит, зависит от вашего точного положения относительно того, что вы наблюдаете, известного как ваша система отсчета. Таким образом, ключом к тому, чтобы избежать странного каузального поведения (управления будущим или переписывания прошлого) в случаях временного разделения, является признание того, что называть события «одновременными» не имеет большого метафизического веса. Это только специфическое для фрейма свойство, выбор среди многих альтернативных, но в равной степени жизнеспособных - вопрос соглашения или ведения учета.
Урок напрямую переносится как на пространственную, так и на временную квантовую нелокальность. Загадки относительно запутанных пар частиц сводятся к разногласиям по поводу маркировки, вызванным теорией относительности. Эйнштейн показал, что никакая последовательность событий не может быть метафизически привилегированной - может считаться более реальной - чем любая другая. Только приняв это понимание, можно продвинуться в решении таких квантовых головоломок.
Различные системы отсчета в эксперименте Еврейского университета (лабораторная система отсчета, система фотона 1, система фотона 4 и т. д.) имеют, так сказать, своих «историков». Хотя эти историки не согласны с тем, как все происходило, ни один из них не может претендовать на истину. В соответствии с этой пространственно-временной точкой зрения внутри каждого из них разворачивается разная последовательность событий. Ясно поэтому, что любая попытка приписать специфическим фреймам свойства вообще или привязать общие свойства к одному конкретному фрейму вызовет споры среди историков. Но вот в чем дело: хотя могут быть законные разногласия по поводу того, какие свойства каким частицам и когда следует приписывать, не должно быть разногласий по поводу самого существования этих свойств, частиц и событий.
Эти результаты вбивают еще один клин между нашей любимой классической интуицией и эмпирическими реалиями квантовой механики. Как и в случае Шредингера и его современников, научный прогресс будет включать в себя исследование ограниченности некоторых метафизических взглядов. Кот Шредингера, полуживой и полумертвый, был создан, чтобы проиллюстрировать, как запутанность систем приводит к макроскопическим явлениям, которые бросают вызов нашему обычному пониманию отношений между объектами и их свойствами: такой организм, как кошка, либо мертв, либо жив. Здесь нет золотой середины.
Большинство современных философских представлений об отношениях между объектами и их свойствами охватывают запутанность исключительно с точки зрения пространственной нелокальности. Но еще предстоит проделать значительную работу по включению временной нелокальности - не только в дискуссии о свойствах объекта, но и в дискуссиях о материальном составе (например, об отношении между куском глины и статуей, которую он образует), а также об отношениях часть-целое. (например, как рука относится к конечности или конечность к человеку). Например, «загадка» того, как части соответствуют общему целому, предполагает четкие пространственные границы между лежащими в основе компонентами, однако пространственная нелокальность предостерегает от такого взгляда. Временная нелокальность еще больше усложняет эту картину: как можно описать сущность, составные части которой даже не сосуществуют?
Распознавание природы запутанности иногда может быть неудобным проектом. Неясно, какая содержательная метафизика может появиться в результате тщательного изучения новых увлекательных исследований, проведенных такими физиками, как Мегидиш и другие. В письме к Эйнштейну Шредингер иронично замечает (прибегая к странной метафоре): «Такое ощущение, что именно самые важные утверждения новой теории действительно можно втиснуть в эти испанские сапоги - но только с трудом». Мы не можем позволить себе игнорировать пространственную или временную нелокальность в будущей метафизике: подойдут нам сапоги или нет, нам придется их надеть.
Элиз Крулл